Prosiding Seminar Nasional Teknik Kimia “Kejuangan” Pengembangan Teknologi Kimia untuk Pengolahan Sumber Daya Alam Indonesia Yogyakarta, 22 Februari 2011
ISSN 1693 – 4393
EVALUASI KINERJA FURNACE-3 PPT MIGAS CEPU Yuliani. HR1 1] Jurusan Teknik Kimia, Politeknik Negeri Ujung Pandang, Jl. Urip Sumoharjo KM.10 Tamalanrea Makassar 90112 [Sul-Sel] Email :
[email protected]
Abstract Furnace is an main equipment in PPT. MIGAS Cepu purpose increase temperature of crude oil, where the temperature is one variable determined perfection separation process at column distillation fraktionasi. Fuel is used at the third furnace is residu, fuel gas, air as source oksigen and steam for atomization. Crude oil enter into furnace through pipe from top downwards called convection to radiation area with opposite orientation with temperature result of combustion of fuel. Performance of the third furnace is evaluated with heat transfer efficiency and becomes an indication that equipment still good or bad operation. Based result of calculation point the fficiency furnace 3 PPT MIGAS CEPU 68,54 % and excess of air 45,97%. Keywords: Furnace, crude oil , efficiency, excess air and PPT.MIGAS CEPU perpindahan panas dalam furnace terjadi dalam dua cara, yaitu : a. Radiasi Dalam furnace terjadi pada pemanasan dari nyala api berner ke dinding pipa furnace b. Konveksi Perpindahan panas dalam suatu fluida dari suhu tinggi ke suhu rendah disertai perpindahan molekul dari suatu tempat ke tempat yang lain. Perpindahan panas pada minyak di dalam pipa furnace merupakan perpindahan secara konveksi.
PENDAHULUAN Pada pengolahan minyak bumi diperlukan peralatan untuk memanaskan minyak mentah sebelum memasuki kolom fraksinasi. Pemanasan ini sangat berkaitan dalam pemisahan fraksifarkai yang didasarkan trayek titik didihnya. Untuk pemanasan temperature cukup tinggi digunakan furnace dimana sumber panas berasal dari bahan bakar. Proses perpindahan panas pada furnace terjadi antara fluida yang dipanasi dengan panas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar. Berdasarkan pertukaran panas tersebut maka efisiensi furnace sangat menarik untuk dihitung sebagai indikasi layak atau tidaknya furnace dioperasikan. Perhitungan efeisiensi ini juga menjadi acuan PPT.MIGAS Cepu untuk shutdown dan memperbaiki peralatan khususnya pada furnace. LANDASAN TEORI 1. Furnace Furnace adalah salah satu alat yang digunakan dalam operasi minyak bumi bertujuan untuk memanaskan minyak mentah sampai suhu tertentu sesuai perencanaan proses yang diinginkan. Furnace yang diteliti adalah type boks yaitu burnernya dipasang horizontal pada dinding sehingga nyala api searah atau tegak lurus dengan pipa. Proses
2.
F05-1
Pembakaran Pembakaran merupakan reaksi antara oksigen dengan bahan akar disertai timbul panas. Untuk terjadinya pembakaran harus tersedia unsure-unsur yang dibutuhkan antara lain : a. Bahan bakar : Ada tiga jenis yang digunakan yaitu gas, minyak dengan viskositas tinggi dan rendah. b. Udara : Kebutuhan oksigen untuk pembakaran diambil dari udara sekitar/bebas sehingga secara langsung udara berpengaruh terhadap pembakaran. c. Api : Bahan ini digunakan untuk mencapai kondisi dimana pembakaran dapat berlangsung dengan sendirinya.
Mekanisme Pembakaran a.
Pembakaran lengkap dan sempurna Jika semua atom “C” yang dibakar membentuk Karbon dioksida serta atom “H2” menjadi air. CH4
+ 2 O2
CO2 + 2 H2O
b. Pembakaran Lengkap tapi Tak Sempurna Hasil pembakaran masih ada udara yang tersisa atau tidak semua oksigen bereaksi. CH4 c.
+ 3 O2
CO2 + 2 H2O + O2
Pembakraran Tak Sempurna Udara tidak cukup untuk proses pembakaran sehingga beberapa atom karbon membentuk karbon monoksida. 3 CH4
3.
+ 5 O2
CO2 + 2 CO
Efisiensi Furnace
o
Efiseinsi dipengaruhi oleh beberapa factor, yaitu : a.
c.
Panas yang masuk ke dalam furnace terdiri dari : o
Panas pembakaran dan sensible fuel gas
o
Panas pembakaran dan sensible fuel oil
o
Panas sensible atomizing steam
o
Panas sensible udara pembakaran
o
Panas yang dibawa oleh minyak mentah
Panas yang dibawa oleh gas buangan
o
Panas yang hilang lewat dinding, ruang radiasi dan lantai
Panas laten (Ql) = m x
Efisiensi
Panas yang diberikan adalah panas total masukpanas minyak mentah masuk
Instrument Penelitian
c.
o
Alat control komputerisasi
baik
manual
Panas yang diserap minyak mentah x100% Panas yang diberikan
Panas yang diserap oleh minyak mentah adalah Panas minyak mentah (keluar-masuk) furnace
Penelitian dilakukan di PPT.MIGAS CEPU di Kilang dan Laboratorium. Pengambilan data dilakukan dilapangan yaitu pengamatan langsung pada plant dan analisa di laboratoriurm, data sekunder di perpustakan dan wawancara dengan staf chemister, mantenes dan operator sebagai pelaksana harian.
Seperangkat alat analisa orsat
....................................(2)
Keterangan :
b.
o
Panas pada ruang radiasi dan konduksi
Panas sensible (Qs) = m x Cp x dT ...................(1)
METODE PENELITIAN
a.
Panas yang dibawa minyak mentah keluar dapur
Persamaan yang digunakan dalam menghitung efisiensi dalam perhitungan panas (Q) :
b. Panas yang keluar dapur o
+ 6 H2O
maupun
F05-2
Sampel Penelitian o
Minyak mentah masuk dan keluar furnace
o
Gas buangan yang keluar lewat cerobong
o
Bahan bakar minyak yang masuk furnace
o
Bahan bakar gas yang masuk furnace
o
Steam atomizing yang digunakan
Teknik analisa Data Pada penelitian ini teknik analisis yang diterapkan menggunakan perhitungan menggunakan beberapa persamaan transfer panas dan grafik.
Viskositas kinematik 122 oF : 4,14 cS
Prosedur Penelitian 1. Analisa Orsat ! Sebanyak 100 ml gas buangan diisap dengan alat kemudian diinjeksikan ke dalam alat orsat !
!
!
!
2.
SG 60/60 oF
b. Analisa Flue Gas Tabel 2. Analisa Gas Buangan (Orsat)
Selanjutnya dilakukan penyerapan terhadap gas CO2 menggunakan absorben KOH 55%. Kemudian cek dan hitung kenaikan volume pada kolom yang berisi KOH 55%, perbedaan volume menunjukkan banyaknya volume gas CO2 yang terserap. c.
Dengan cara yang cara dilakukan penjerapan O2 menggunakan absorben piro gallol kemudian hitungan kenaikan volumenya. Untuk penyerapan gas CO menggunakan absorben Cupro Chloride, dengan cara yang sama hitungan kenaikan volumenya.
HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Data Pengamatan
C
CO2
10,5
CO
0,4
O2
7
N2
82,1
Analisa Fuel Gas Tabel 3. Analisa Komposisi Bahan Bakar Persen mol
CO2
25,10
C-1
69,06
C-2
2,76
C-3
1,26
i C-4
0,29
n C-4
0,41
i C-5
0,17
n C-5
0,14
i C-6
0,17
C-6 +
0,16
SG air : 1 d. Neraca Produk Total Kilang
Temperatur o
Persen mol
SG bahan Bakar Gas : 0,8448
Analisa minyak mentah Tabel 1. Analisa Distilasi ASTM Minyak Mentah Destilat
Komponen
Komposisi Gas
Data-data Operasi Tekanan, temperature dan laju alir dapat dilihat langsung pada parameter terpasang atau ruang control room.Untuk Spesifik Gravity (SG), destilasi ASTM, analisa orsat, viskositas kinematik di laboratorium operasi kilang dan data penunjang serta grafik di perpustakaan PPT.MIGAS Cepu.
a.
: 0,8558
Laju umpan (minyak mentah) = 188,4945 m3/hari Tabel 4. Neraca massa produk di kilang SG Jenis Jumlah Persen 60/60 oF Produk (m3/hari) Pertasol 0,7236 8,6603 4,5945 CA Pertasol 0,7709 6,5093 3,4533 CB Kerosine 0,8204 41,2985 21,9097 Solar 0,8525 62,3682 33,0875 HGO/PO 0,8745 17,4393 9,2519 D Residu 0,9042 51,9257 27,5476 Loses 0,2932 0,1555 188,4945 100
o
F
IBP
69
156,2
10
133
271,4
20
182
359,6
30
218
424,4
40
256
492,8
50
289
522,2
60
317
602,6
70
356
672,8
Sumber : Laboratorium Kilang
F05-3
e.
Kebutuhan udara dihitung berdasarkan hasil analisa orsat dari gas buangan, menggunakan neraca karbon.
Kondisi Operasi Laju alir minyak mentah masuk : 188,4945 m3/hari 2.
Laju alir bahan bakar residu : 4,2 m3/hari
Data Pengamatan Neraca Panas Masuk Furnace
Laju alir bahan bakar gas : 266,6667 m3/hari
a.
Temperatur umpan masuk : 212 oF
Panas bahan bakar minyak : Panas pembakaran dan Panas sensible Panas Pembakaran (Q1) = W1 x NHV
Temperature residu keluar : 617 oF
Flow fuel oil
Temperature bahan bakar gas masuk : 32 oC
Flow bahan bakar x SG x Bj air 0,454 x 24
4,2 m 3 /hari x 0,9042 x 1000 kg/m 3 0,454 lb/kg x 24 hr/jam W1 348,5352 lb/jam
Temperatur bahan bakar minyak masuk : 90oC Temperatur skin tube : 858 oC Temperatur cerobong /stack : 350 oC Temperatur dinding dalam : 588 oC
o
Tekanan minyak mentah masuk : 2,4 kg/cm2 Tekanan minyak mentah keluar : 0,24 kg/cm2
141,5 " 131,5 SG 60/60 o F 141,5 " 131,5 25 0,9045
Tekanan bahan bakar gas masuk : 9 kg/cm2
Berdasarkan grfaik hubungan oAPI Vs heating Value diperoleh NHV = 181,25 Btu/lb
Tekanan bahan bakar minyak masuk : 1,8 kg/cm2
Maka Q1 = 348,5352 lb/jam x 181,25 Btu/lb = 6.317.200,5000 Btu/jam
2
Tekanan steam masuk : 2,5 kg/cm
Panas Sensibel bahan bakar minyak (Q2)
Tekanan puncak evaporator : 0,24 kg/cm2
Q2 = W1 x Cp x dT Cp diperoleh dari hubungan SG Vs VK dengan factor koreksi fk dari perhitungan K-UOP.
Relatif humidity : 80% f.
API
Asumsi
3
TB SG 60/60 o F
3
1360 0,9042
Temperatur standard : 60 oF
K - UOP
Temperatur udara luar : 32 oC
dan fk 1,025
Tekanan udara : 14,7 psi
Cprata-rata = 0,4766 Btu/lb oF
Tekanan uap air pada 32 oC : 0,6982 psi
Q2 = 348,5352 lb/jam x 0,4766 Btu/lb/oF x
12.25
(194-60) oF
Perbandingan N2 dan O2 : 79 : 21
= 22.258,9914 Btu/lb
Jumlah steam : 0,4 lb/lb bahan bakar minyak
Jadi Total panas bahan bakar minyak masuk (QT1) = Q1 + Q2
N2 adalah gas inert sehingga N2 masuk = N2 keluar
= 6.317.200,5000 + 22.258,9914 Btu/lb = 6.339.459,4914 Btu/lb
F05-4
b.
Bahan Bakar Gas (QT2) Perhitungan panas bahan akar gas analog dengan perhitungan bahan bakar minyak baik panas pembakaran maupun sensinbel. Hasil perhitungan QT2 merupakan penjumlahan dari keduanya.
Maka : C dalam fuel = C pada (CO2 + CO) = 10,5 + 0,4 = 10,9 % Jumlah
QT2 = 517.961,8233 Btu/jam c.
a. N 2
Panas sensible atomizing steam (Q5) Perhitungan panas sensible pada steam analog dengan perhitungan dengan bahan bakar minyak dimana tekanan berpengaruh. Tekanan masuk 2,5 + 1 = 3,5 kg/cm2 (absolut)
b. O 2
Total mol gas buangan kering = 249,4349 lbmol
Q5 = 12.016,4498 Btu/jam d.
27,1884 x 82,1 204,7861 lbmol 10,9 27,1884 x 7 17,4604 lbmol 10,9
Panas udara
Kelebihan Udara (Excess Air)
Perhitungan panas udara memperhitungkan perbandingan rasio H/C dan dari perhitungan ini dapat diketahui udara berlebih yang akan menjadi analisis dalam efisiensi dan alternative solusi peningkatan efisiensi.
Neraca bahan O2 (diasumsikan dalam udara 21%O2 dan 79% N2)
O2 dari udara
Rasio H/C didapatkan 0,13 Total Mol Udara Kering
21 x 204,7861 lbmol 79 54,4368 lbmol
Udara yang dibutuhkan
Total bahan bakar minyak dan gas = 368,6748 lb/jam
100 x 204,7861 lbmol 79 259,2229 lbmol
Reaksi :
Jadi :
368,6748 lb/jam Banyaknya Carbon 1,13 326,2609 lb/jam
C + O2! CO2 O2 yang dibutuhkan untuk pembakaran = banyaknya C yang ada dalam CO2, O2 dalam CO2 = 26,1907 lbmol. Reaksi :
Jumlah mol Carbon
326,2609 lb/jam 12 lb/lbmol 27,1884 lbmol
O2 dalam CO = ½ dalam CO = ½ x 0,9977 lbmol = 0,4989 lbmol. Reaksi :
Banyaknya Hidrogen =
H2 + ½ O2! H2O
H2 = (368,6748 – 326,2609) lb/jam
O2 dalam H2O= ½ dalam H2O= ½ x 21,2070 lbmol = 10,6035 lbmol.
= 42,4139 lb/jam
Jumlah mol hidrogen
C + ½ O2! CO2
42,4139 lb/jam 2 lb/lbmol 21,2070 lbmol
F05-5
Jadi : Total O2 yang dibutuhkan pembakaran = 37,2931 lbmol
Excess Air
O 2 dari udara - O 2 Teoritis
x100%
O 2 Teoritis Excess Air
54,4368 - 37,2931
x100%
45,97%
37,2931 Neraca Panas Keluar Furnace a.
Panas yang diserap Minyak Mentah/Crude Oil (Qm): Panas Minyak Mentah Keluar – Panas Minyak Mentah Masuk Qm = 6.244.726,7740 Btu/jam
–
1.480.447,5079
Qm= 4. 744.279,2661 Btu/jam b.
Panas yang dibawa gas buang an /flue gas : gas CO2, CO, N2, H2O dan O2. Qftotal = QCO2 + QCO + QN2 + QH2O + QO2 Qftotal = 1.320.407,7425 Btu/jam
c.
Panas keluar lewat dinding (Qd) Qd = Qmasuk – Q (Crude oil serap + Flue gas)
Qmasuk = 6.922.048,1020 Btu/jam Jadi Panas lewat dinding (Qd)
Edmister, C. Wayne, 1950, Applied Hydrocarbon Thermodynamic, Gulf Publishing Company, Houtson, Texas
1.320.407,0934 Btu/jam = 857.361,0934 Btu/jam
Kern, D.Q, 1950, Process Heat Transfer, Mc. Graw Hill Book Company, New York
Efisiensi Furnace
EfisiensiFurnace
Efisiensi furnace-3 PPT. MIGAS CEPU sebesar 68,54% dengan kelebihan udara 45,97%. Menurut Kern dalam Proses Heat Transfer bahwa untuk furnace lama efisiensi berkisar 60 – 75% sehingga furnace ini masih efisien dan efektif untuk dioperasikan. DAFTAR PUSTAKA
Qd = 6.922.048,1020 – 4.744.279,2661 –
3.
Berdasarkan uraian di atas maka dengan diturunkannya excess air, panas yang hilang lewat cerobong akan turun sehingga efisiensi meningkat dengan demikian panas yang diberikan bahan bakar lebih banyak diterima oleh minyak mentah sebagai panas yang diserap. Kehilangan panas yang besar pada alat maka disarankan diadakan perbaikan untuk mengurangi heat loss dengan memperbaiki isolasi dinding baik dalam ruangan pembakaran maupun bagian atas sehingga excess air juga dapat ditingkatkan. KESIMPULAN
Qmasuk = Q bahan bakar (minyak total + gas total) + Q atomizing steam + Q udara pembakaran
Qd
furnace disebabkan alat telah tua dan excess air cukup besar dan adanya kebocoran pada alat baik lewat dinding maupun lewat cerobong. Panas lewat cerobong sebesar 19,07% sehingga bila ditinjau dari efisiensi secara teoritis, panas yang hilang cukup besar. Excess air sebesar 45,97% maka panas yang hilang sekitar 19%, jika excess air diturunkan sekitar 25% dengan suhu stack tetap akan terjadi penurunan panas yang dibawa gas menjadi 16%.
PanasyangdiserapCrudeOil
x100%
Panasyangdisuplai
4.744.279,2661 x100% 6.922.048,1020 68,5387%
Maxwell, W.L, 1950, Data Book on Hydrocarbon, D Van Nostrand Company Inc, Canada Mustakim, 1980, Furnace PPT. MIGAS, PPT. MIGAS, Cepu
Berdasarkan hasil perhitungan diperoleh efisiensi furnace-3 PPT.MIGAS CEPU 68,54% dimana secara teoritis untuk furnace baru efisiensi 75-80 %, dan furnace lama sebesar 65 – 70% sehingga dapat disimpulkan alat tersebut memenuhi syarat operasi. Penurunan efisiensi
F05-6
Nelson, W.L, 1969, Petroleum Refinery Engineering, Mc. Graw Hill Book Company, New York Reed, R.D, 1973, Furnace Operation, Gulf Publishing Company, Houtson, Texas Suharsono, Tony, 1987, Akamigas, Cepu
Pengolahan
II,
